矩陣式 LED 調(diào)光器助力實現(xiàn)色彩鮮艷亮麗的 LED 燈
RGB LED 串用于投影儀、建筑、顯示器、舞臺和汽車照明系統(tǒng),因為這類系統(tǒng)需要高效率、明亮的光輸出。一個 RGB LED 串要產(chǎn)生預(yù)期的色彩,其中每個 LED (紅、綠和藍(lán)光) 都需要獨立和準(zhǔn)確的調(diào)光控制。高端系統(tǒng)可以使用一個光反饋環(huán)路,以使微控制器能夠調(diào)節(jié) RGB LED 串,提供準(zhǔn)確的色彩。給 RGB LED 串增加一個白光 LED,形成一個 RGBW LED 串,就可以增加彩色照明系統(tǒng)可用的色彩、飽和度和亮度值。每個 RGBW LED 串中的 4 個 LED 都需要進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)光。兩個 RGBW LED 串需要 8 個“通道”。
驅(qū)動 RGBW LED 串以實現(xiàn)色彩和亮度控制的方式多種多樣。一種驅(qū)動 RGBW LED 串并調(diào)節(jié)其亮度的方式是使用 4 個單獨的 LED 驅(qū)動器,分別用于 4 種顏色 (R、G、B 和 W),如圖 1a 所示。在采用這種方式的系統(tǒng)中,每個單獨的 LED 或 LED 串的電流 (或稱 PWM 調(diào)光) 是由單獨的驅(qū)動器和控制信號驅(qū)動的。不過,在這類解決方案中,LED 驅(qū)動器的數(shù)量會隨著 RGBW LED 串?dāng)?shù)量的增加而迅速增多。任何采用大量 RGBW LED 串的照明系統(tǒng)都需要大量驅(qū)動器,對這些驅(qū)動器的控制信號進(jìn)行同步的工作量也很大。
一種簡單得多 (也更便捷) 的方法是,用單個驅(qū)動器 / 轉(zhuǎn)換器以固定電流驅(qū)動所有 LED,同時用一個并聯(lián)功率 MOSFET 矩陣對各個 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光以實現(xiàn)亮度控制。如圖 1b 所示的矩陣式調(diào)光器和單個 LED 驅(qū)動器減小了圖 1a 解決方案的電路尺寸。此外,用單條通信總線控制矩陣式 LED 調(diào)光器使 RGBW LED 色彩混合系統(tǒng)相對簡單和緊湊,同時驅(qū)動大電流 RGBW LED 串時,色彩和亮度控制也很準(zhǔn)確。
圖 1a
圖 1b
圖 1a 和 1b:(1a) 在大功率色彩混合應(yīng)用中,8 個單獨的 LED 驅(qū)動器和 PWM 信號可用來驅(qū)動兩個 RGBW LED 串,或者 (1b) 可用具串行通信功能的單個升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器和矩陣式 LED 調(diào)光器實現(xiàn)小得多、也緊湊得多的解決方案。
LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可實現(xiàn)這樣的設(shè)計,如圖 5 所示。每個LT3965 的 8 個開關(guān)矩陣式調(diào)光器可以與整整兩個 RGBW LED 串配對使用,從而允許在零至 100% 亮度之間、以 1/256 的 PWM 步進(jìn)單獨控制每個 LED (紅、綠、藍(lán)和白光) 的亮度。兩線 I2C 串行接口命令為所有 8 個通道提供色彩和亮度控制。提供給矩陣式 LED 調(diào)光器 IC 的 I2C 串行接口代碼決定所有 8 個 LED 的亮度狀態(tài),并可以在發(fā)生故障的情況下,檢查 LED 是否開路或短路。
既然 RGBW LED 串中的每個 LED 都設(shè)計成單點光源,那么紅、綠、藍(lán)和白光合起來就產(chǎn)生了多種多樣的色彩,而且飽和度、色彩和亮度是可控的。憑借高速 LT3965 矩陣式調(diào)光器,可以在零 (0/265) 和 100% (256/256) 亮度之間、以 1/256 調(diào)光步進(jìn)設(shè)定每個 LED 的亮度。
準(zhǔn)確的 0 ~ 256 級RGBW 色彩及亮度控制
通過對 RGBW LED 串中的紅、綠、藍(lán)和白光 LED 單獨進(jìn)行 PWM 調(diào)光,RGBW LED 可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的色彩和亮度。單獨進(jìn)行的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的調(diào)光比。取代 PWM 調(diào)光的另一種方法是,簡單地降低每個 LED 的驅(qū)動電流,但這種方法會影響準(zhǔn)確度,因此僅允許 10:1 的調(diào)光比,而且這種方法導(dǎo)致 LED 本身產(chǎn)生色偏移。采用 PWM 調(diào)光的矩陣式調(diào)光方法與降低驅(qū)動電流的方法相比,前者的色彩及亮度準(zhǔn)確度會更高。
LED 驅(qū)動器 (提供 500mA LED 電流) 的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)會影響色彩準(zhǔn)確度。圖 5 中緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器的交叉頻率高于 10kHz,輸出電容器很小或沒有輸出電容器,隨矩陣式調(diào)光器接通或斷開其開關(guān),該轉(zhuǎn)換器可對所驅(qū)動 LED數(shù)量的變化迅速做出響應(yīng)。
為了說明快速瞬態(tài)響應(yīng)對準(zhǔn)確度而言多么重要,我們以不同的 PWM 占空比單獨運行紅、綠和藍(lán)光 LED,并用一個 RGB 光傳感器測量這些 LED 的光輸出。圖 3 中的結(jié)果顯示,在 4/256 至 256/256 范圍內(nèi),每種顏色的斜率是一致的,在低于這個范圍時斜率稍有變化。當(dāng)然,紅、綠和藍(lán)光 LED 的色彩性能并不是完美無缺的,因此,甚至在僅驅(qū)動一種顏色的 LED 時,有些顏色還是會從其他頻帶上泄漏出來。不過,總的來看,這是一個高度準(zhǔn)確的系統(tǒng)。
圖 2:用 LT3965 矩陣式調(diào)光器對 500mA RGBW LED 串的電流進(jìn)行 PWM 調(diào)光和調(diào)相,以產(chǎn)生各種色彩和照明圖案。在對各個 LED 進(jìn)行單獨的 PWM 調(diào)光時,LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器 / LED 驅(qū)動器非常容易跟上 LED 電壓的迅速變化。
圖 3:PWM 調(diào)光占空比在 0/256 – 256/256 之間變化時,對紅、綠、藍(lán)和白光亮度的控制情況。PWM 調(diào)光占空比由矩陣式 LED 調(diào)光器控制,該調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器配對使用,如圖 5 所示。
采用帶寬非常大 (>40kHz) 的降壓型轉(zhuǎn)換器 LED 驅(qū)動器時,直至 1/256 PWM 調(diào)光范圍的準(zhǔn)確度都可改善,但是要這么做,或者需要增加另一個升壓型轉(zhuǎn)換器,以提供一個穩(wěn)定和高于 30V 的輸出電壓,因而增加了成本,或者需要一個高于 30V 的輸入電壓源。除非在極低光輸出時必須提供非常高的準(zhǔn)確度,否則沒什么理由額外增加一個轉(zhuǎn)換器,而放棄圖 5 中通用、簡單和尺寸緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器。
這里描述的矩陣式調(diào)光 RGBW LED 色彩混合器系統(tǒng)實現(xiàn)了非常寬的色域,如圖 4 所示。增加額外的顏色,例如琥珀色,還可以進(jìn)一步擴展色域。RGBWA LED 串 (包括一個琥珀光 LED) 可以產(chǎn)生 RGBW LED 串無法產(chǎn)生的深黃色和深橘黃色。這些 LED 也可以用矩陣式調(diào)光器驅(qū)動,不過與 8 通道矩陣式調(diào)光器很好匹配的是兩個 RGBW LED。
圖 4:RGB LED 串提供很寬的色域。簡化色彩混合算法的方式之一是增加白光 LED。在有些混合方法中,白光 LED 用來改變飽和度,同時用紅光、綠光和藍(lán)光 LED 設(shè)定色彩。
LT3965 的 256 級調(diào)光方法非常容易對應(yīng)于典型的 RGB 著色程序和常見的色彩混合算法。例如,如果打開一個標(biāo)準(zhǔn)的 PC 著色程序就會看到,色彩混合是通過 256 個值的 RGB 系統(tǒng)完成的,如圖 6 所示。再比如,圖 2 中的 LED 電流波形用一個 RGBW 矩陣式 LED 系統(tǒng)產(chǎn)生紫色光,而這個矩陣式 LED 系統(tǒng)是由基本 PC 著色程序控制的。由于本文描述的設(shè)計方案產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流驅(qū)動和 PWM 控制,因此可以通過調(diào)節(jié)各個 LED 的占空比,按照預(yù)期對RGBW LED串進(jìn)行色彩校準(zhǔn),從而可簡便地抵消固有的 LED 亮度變化。
圖 5:LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器一起使用,控制兩個 500mA RGBW LED 串中各個 LED 的色彩,以串行通信方式控制色彩和照明圖案。
(6a)
(6b)
(6c)
圖 6:用標(biāo)準(zhǔn) PC 色彩選擇器可以選擇色彩。矩陣式調(diào)光器使用的 256 個值 (0 - 256) 可以與典型 RGB 系統(tǒng)中使用的 0 – 255 對應(yīng)。例如,RGB (128、10、128) 產(chǎn)生紫色光。如以上照片中所見,矩陣式調(diào)光器可以使一個真實的 RGBW LED 串產(chǎn)生預(yù)期色彩,從而簡化照明設(shè)計師的工作。(6a) 選擇一種顏色。(6b) 使 RGB 值與 LT3965 LED 矩陣式調(diào)光器的調(diào)光比相對應(yīng)。(6c) 用 PC 設(shè)定調(diào)光比的值,之后可以看到結(jié)果。
采用升壓-降壓型驅(qū)動器的矩陣式 LED 色彩混合器
矩陣式調(diào)光器需要合適的 LED 驅(qū)動器,以能夠用多種輸入給 8 個 LED 組成的 LED 串供電,例如標(biāo)準(zhǔn) 12V ±10% 電源、9V 至 16V (汽車電池) 或 6V 至 8.4V (鋰離子電池)。這類驅(qū)動器解決方案之一是 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器,從輸入至 LED,該解決方案既可升高也可降低電壓,同時提供低紋波輸入和輸出電流。在該器件的浮置輸出拓?fù)渲?,輸出電容器很小或沒有輸出電容器,因此在以接通斷開方式對各個 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光以控制色彩和亮度時,該器件能夠快速響應(yīng) LED 電壓的變化 (圖 2)。
圖 5 所示的 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器與 8 開關(guān)矩陣式 LED 調(diào)光器 LT3965 以及兩個 RGBW 500mA LED 串一起使用。當(dāng)串聯(lián) LED 數(shù)量在 0 至 8 個范圍內(nèi)變化時,這種新的升壓-降壓型拓?fù)淇梢栽?0V 至 25V 輸出電壓范圍內(nèi)順暢地運行。串聯(lián) LED 的瞬時電壓隨時變化,怎樣變化取決于,在任意給定瞬間,矩陣式調(diào)光器啟動和禁止了哪些以及多少 LED。這個轉(zhuǎn)換器 / 拓?fù)涞?60V OUT 電壓 (VIN 和 VLED 之和) 以及轉(zhuǎn)換器占空比針對 6V 至 20V 的整個輸入范圍以及 0V 至 25V/500mA 的輸出范圍 (串聯(lián) LED 電壓) 做出了規(guī)定。
矩陣式調(diào)光器用并聯(lián)功率 MOSFET 對 LED 分流,以此控制 LED 亮度。無論是浮置輸出升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器還是矩陣式 LED 調(diào)光器,都不要求 LED 接地。只要 LT3965 的 VIN 引腳連至 SKYHOOK,所有并聯(lián) MOSFET 都可以正常工作,電壓至少比 LED+ 高 7.1V。SKYHOOK 電壓可以由開關(guān)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的充電泵產(chǎn)生,也可以由一個穩(wěn)定的電源提供,當(dāng)然該電源電壓要至少比預(yù)期的 LED+ 最高電壓高 7.1V (在這種情況下,為 20V VIN 最大值加上 25V LED 最大值)。采用 3mm x 2mm DFN 封裝的纖巧 LT8330 升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 SKYHOOK 電壓是個不錯的選擇。
一個可選外部時鐘器件用來在 350kHz 時同步系統(tǒng),這種方法適合汽車環(huán)境,因為效率相對較高,且允許使用緊湊型組件。盡管這個系統(tǒng)同樣可以在 2MHz (高于 AM 頻段) 上運行,但當(dāng)矩陣式調(diào)光器使所有 LED 都短路,且 LED 串電壓降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 時,350kHz (低于 AM 頻段) 使這個升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器無需采用脈沖跳躍模式,就能夠執(zhí)行調(diào)節(jié)功能。這個頻率還支持高調(diào)光比而不會產(chǎn)生可見的 LED 閃爍。
LED 接通或斷開時的啟動順序
矩陣式 LED 調(diào)光器系統(tǒng)可以設(shè)定以在所有 LED 都接通或斷開時啟動。如果在所有 LED 都斷開時啟動,那么這些 LED 的亮度就可以和緩地漸變,或者以設(shè)定的色彩和亮度啟動,例如 10% 亮度的綠-藍(lán)光。如果在串行通信系統(tǒng)發(fā)出命令指示調(diào)光器該做什么之前,所有 LED 都以 500mA 滿標(biāo)度電流啟動,那么在串行通信啟動之前,可能看到明亮的全“白色”光。
無論以哪種方式啟動,LT3965 都應(yīng)該在接收 I2C 串行通信命令之前加電,否則當(dāng)該器件進(jìn)行加電復(fù)位 (POR) 時,初始通信命令可能丟失。當(dāng) EN/UVLO 引腳向上穿過 1.2V 門限時,就會發(fā)生 POR。既然這個電壓以 SKYHOOK 至少比 LED+ 高 7.1V 這一事實為基礎(chǔ),那么任何時候只要加上高的 SKYHOOK 電壓后就能發(fā)生,例如用一個小型升壓型穩(wěn)壓器提供 55V,或者來自 LT3952 開關(guān)節(jié)點的充電泵電壓足夠高以提供 SKYHOOK 電壓后也會發(fā)生。在由充電泵提供 SKYHOOK 電壓的情況下,充電泵提供 SKYHOOK 電壓之前,也許存在 LED 電流,因此在 LT3965 的開關(guān)斷開 LED 之前,LED 會發(fā)光。這是一種簡單的解決方案,設(shè)計師想讓 LED 以最大亮度接通啟動時,可以使用這種方案。
要讓 LED 開始工作,必須在 LT3952 接通之前存在高的 SKYHOOK 電壓。如圖 6 所示,如果 PWM 引腳在啟動時保持低電平,那么 LT3952 就不啟動,直到外部信號命令該器件啟動為止,例如由主微控制器發(fā)來這樣的信號。一旦 SKYHOOK 電壓出現(xiàn),該微控制器就可以向 LT3965 發(fā)送 I2C 設(shè)置命令,將 LT3965 的開關(guān)設(shè)置到 LED OFF 位置,之后電流將流向這些開關(guān)。設(shè)置完成后,就可以確認(rèn) LT3952 PWM,然后電流開始流經(jīng)已經(jīng)短路的 LT3965 開關(guān),LED 則處于關(guān)斷狀態(tài)。之后,出現(xiàn)亮度漸變的啟動,或者 LT3965 調(diào)光器可能躍變至特定色彩或亮度。
一發(fā)生復(fù)位,LT3952 的 PWM 必須再次拉低以將其關(guān)斷,并在 LED 關(guān)斷位置重新啟動。在圖 5 所示情況下,LT8330 這類簡單的微功率升壓型轉(zhuǎn)換器可在 6V 至 20V 輸入電壓范圍內(nèi)提供 55V 輸出。通過確認(rèn) ALERT 標(biāo)記,微控制器接收表示 LT3965 已加電并準(zhǔn)備好接收串行通信命令的信號。在任何開關(guān)被短路之前,由于開關(guān)兩端電壓為零,所以通過 LED 的電流為零,這種狀態(tài)被解釋和報告為短路故障。只有在通過 SKYHOOK 給 LT3965 加電后,才會確認(rèn)這個標(biāo)記。
結(jié)論
LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可以與升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器配對使用,以構(gòu)成一個色彩準(zhǔn)確的 RGBW LED 色彩混合器系統(tǒng)。LT3952 可用來在 6V 至 20V 輸入范圍內(nèi)以 350kHz 開關(guān)頻率和 500mA 電流驅(qū)動兩個 RGBW LED 串。這種通用系統(tǒng)可由汽車電池、12V 電源或鋰離子電池供電。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)很高的色彩準(zhǔn)確度,是因為正在申請專利的升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng),并能夠通過 256:1 的 I2C 控制矩陣系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的調(diào)光控制。LT3965 可設(shè)定為啟動時,所有 LED 都斷開,并以漸變亮度啟動,或直接跳躍至特定色彩??梢栽黾庸夥答? (通過微控制器) 以提高色彩準(zhǔn)確度,盡管不是必須這么做。